Jak przemieszcza się płaszcz ziemski?

Jak przemieszcza się płaszcz ziemski?

Ze współczesnego obrazu Ziemi wynika, że ruchy kontynentów powodowane są przez ciepło generowane podczas procesów promieniotwórczych zachodzących głęboko we wnętrzu planety. Ciepło to unosi się do powierzchni dzięki konwekcji (mechanizmowi, jaki obserwujemy również w naczyniu z wrzątkiem, gdzie gorąca woda unosi się z dna, następnie chłodzi i opada w powtarzających się cyklach). W ciągu setek milionów lat w skałach, głęboko pod powierzchnią, zachodzi ten sam proces, a płyty i kontynenty unoszą się na powierzchni tej ruchomej skały jak pęcherzyki we wrzącej wodzie.

Lecz chociaż wśród naukowców panuje co do tego punktu pozorna zgoda, spór zaczyna się, gdy dochodzą do szczegółów. Ciągłe dyskusje toczą się zwłaszcza na temat, jak głęboko we wnętrzu Ziemi rozciąga się strefa konwektywna.

Trochę podstaw. Po tym, jak Ziemia powstała, przeszła epokę całkowitego stopienia. Materiały ciężkie opadały ku centrum i reszta planety uzyskiwała strukturę warstwową. Ponad żelazoniklowym jądrem, aż do kilkunastu kilometrów od powierzchni rozciąga się gruba na 3000 kilometrów warstwa ciężkich skał, zwana płaszczem. Konwekcja w tej skale powoduje ruchy kontynentów.

Naukowcy nie mogą badać wnętrza Ziemi bezpośrednio, lecz w obserwatoriach na jej powierzchni mogą rejestrować dochodzące do nich fale sejsmiczne. Zawsze kiedy następuje duże trzęsienie ziemi, przez Ziemię przechodzą fale. Mierząc czas, jaki zajmuje im przejście do różnych punktów na powierzchni, naukowcy mogą zdumiewająco szczegółowo określić obraz wnętrza Ziemi. Technikę tę można porównać z działaniem tomografu komputerowego w medycynie, gdzie obraz ciała tworzy się przez pomiary pochłaniania promieniowania rentgenowskiego.

Badania sejsmiczne ujawniają pewien doniosły fakt o ziemskim płaszczu: warstwa położona na głębokości około 650 kilometrów zdaje się określać przejście pomiędzy górnym a dolnym płaszczem. Fale sejsmiczne, przechodząc w dół przez tę warstwę pośrednią, nabierają wyraźnie przyspieszenia, co może być wyjaśnione jedynie przy założeniu, że atomy w dolnym płaszczu ułożone są inaczej niż w płaszczu górnym.

Przez ostatnie trzydzieści lat problem, czy ta „kotłująca się” konwekcja, poruszająca kontynenty, ciągnie się tylko do tej warstwy, czy dochodzi aż do dna płaszcza, wywoływał ostre kontrowersje wśród geologów. Jak to często bywa z długotrwałymi sporami w nauce, podstawowy problem polega na tym, że istnieją dwa komplety danych, pochodzące z dwóch różnych dyscyplin naukowych, których nie można ze sobą pogodzić.

Geochemicy wskazują na występowanie na powierzchni Ziemi pewnej liczby pierwiastków chemicznych, które ilościowo rozłożone są inaczej niż w górnym płaszczu. Badacze ci argumentują za tym, że taki rodzaj braku równowagi występuje jedynie wtedy, gdy materiał z głębszych warstw jest sporadycznie unoszony, co mogłoby zachodzić wtedy, gdyby konwekcja powodowała mieszanie się tych dwóch warstw płaszcza. Sejsmolodzy zaś dowodzą, że w swoich „tomograficznych skanach” Ziemi nie widzą śladów takiego mieszania.

Spór ten toczy się nadal z pełną siłą, lecz w ciągu kilku następnych lat może zostać rozwiązany. Nowe informacje, zarówno te otrzymane w wyniku udoskonalonej analizy danych, jak i bardziej dokładnych komputerowych modeli Ziemi wskazują na sposób polubownego rozwiązania.

Okazuje się, że fale sejsmiczne wędrują szybciej w skale zimnej niż w gorącej, co umożliwia sejsmologom pomiar temperatury skał głęboko we wnętrzu Ziemi. Problem z takimi pomiarami na dużych głębokościach polegał zawsze na tym, że gdy fale przechodzą w stronę powierzchni, ulegają zniekształceniu na niejednorodnościach skały, podobnie jak fale świetlne migocą, przechodząc przez ogrzane powietrze w gorący dzień nad powierzchnią jezdni. Jedna z ostatnich analiz, w której zebrano wystarczająco dużo danych, aby zmierzyć się z tym problemem, ukazała smugę chłodnej skały pogrążającej się w głąb przez cały płaszcz w okolicy zachodniego wybrzeża obu Ameryk. Był to pierwszy bezpośredni dowód naruszenia bariery pomiędzy warstwami płaszcza.

Uczeni zaproponowali wiele pomysłów, które mogłyby pogodzić obydwa punkty widzenia. W jednej z koncepcji chłodna skała tonie aż do granicy górnego płaszcza, gdzie zaczyna się zbierać. Gdy zbierze się jej wystarczająco dużo, przedostaje się przez barierę do dolnego płaszcza i przez ten wyłom materiał dolnego płaszcza tryska w górę. W innym modelu okresy podobne do obecnego, gdy konwekcja ogranicza się głównie do górnego płaszcza, przeplatane są okresami, w których pióropusze gorącego materiału unoszą się ze spodu płaszcza, podobnie jak pęcherzyki w ogrzewanej wodzie, zanim zacznie wrzeć. W obu tych koncepcjach występuje wiele sposobności do mieszania się dwóch warstw płaszcza, lecz mieszanie to nie zachodzi przez cały czas. Przypuszczam, że gdy uzyskamy więcej danych, jakiś model podobny do tych okaże się poprawny.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *